Hur man bygger en elektromagnetisk fältgenerator

Elektromagnetiska fenomen finns överallt från din mobiltelefons batteri till satelliterna som skickar data tillbaka till jorden. Du kan beskriva beteendet hos elektricitet genom elektromagnetiska fält, områden runt föremål som utövar elektriska och magnetiska krafter, som båda är en del av samma elektromagnetiska kraft.

Eftersom den elektromagnetiska kraften finns i så många applikationer i vardagen kan du till och med bygga en med ett batteri och andra föremål som koppartråd eller metallspikar som ligger runt ditt hus för att demonstrera dessa fenomen i fysiken själv.

•••Syed Hussain Ather

• Du kan bygga en enkel elektromagnetisk fältgenerator (emf) med koppartråd och en järnspik. Vik dem runt och anslut dem till en elektrodströmskälla för att visa kraften i det elektriska fältet. Det finns många möjligheter för EMF-generatorer av olika storlek och effekt.

Bygga enelektromagnetiskt fält (EMF) generatorkräver en solenoidspole av koppartråd (en spiral- eller spiralform), ett metallföremål såsom en järnspik (för en spikgenerator), isolerande ledning och spänningskälla (t.ex. ett batteri eller elektroder) för att avge elektrisk strömmar.

Du kan valfritt använda metallgem eller en kompass för att observera effekten av emgen. Om metallföremålet är ferromagnetiskt (som järn), ett material som lätt kan magnetiseras, blir det mycket, mycket mer effektivt.

1. Placera materialen på en icke-ledande yta som trä eller betong.
2. Spola koppartråden så tätt som möjligt runt metallföremålet tills det är helt täckt. Ju fler spolar desto starkare blir fältgeneratorn.
   
3. Kläm koppartråden så att det finns små delar av den från huvudet och ändarna på metallföremålet.
4. Anslut den ena änden av en bit isolerad tråd till kopparen som sticker ut från metallföremålets huvud. Anslut den andra änden av den isolerade ledningen till ena änden av spänningskällan på den variabla strömförsörjningen.
5. Anslut sedan den ena änden av den isolerade ledningen till källan på den variabla strömförsörjningen.
6. Placera några gem nära metallföremålet när det ligger på ytan.
7. Ställ ratten på den variabla strömförsörjningen till 0 volt.
8. Anslut strömförsörjningen och slå på den.
9. Vrid långsamt upp spänningsratten och titta på gemen. Du kommer att se dem reagera på magnetfältet från metallföremålet så snart det är tillräckligt starkt från nagelgeneratorn.
10. Använd en kompass i mitten för att notera riktningen för det elektromagnetiska fältet. Kompassnålen ska vara i linje med spolens axel när strömmen flyter.

Elektromagnetism, en av de fyra grundläggande naturkrafterna, beskriver hur ett elektromagnetiskt fält som skapas från strömmen av elektrisk ström uppstår.

När en elektrisk ström flyter genom en tråd ökar magnetfältet med trådarna. Detta låter mer ström strömma genom ett mindre avstånd eller i mindre banor som ligger närmare metallspiken. När ström flyter genom en tråd är det elektromagnetiska fältet cirkulärt runt ledningen.

•••Syed Hussain Ather

När ström flyter genom ledningen kan du visa magnetfältets riktning med hjälp av högerregeln. Denna regel innebär att om du placerar din högra tumme i trådens strömriktning, kommer dina fingrar att krulla i magnetfältets riktning. Dessa tumregler kan hjälpa dig att komma ihåg den riktning som dessa fenomen har.

•••Syed Hussain Ather

Högerregeln gäller också solenoidformen för strömmen runt metallföremålet. När ström går i öglor runt tråden genererar den ett magnetfält i metallspiken eller annat föremål. Detta skapar enelektromagnetsom stör kompassriktningen och kan locka metallgem till den. Denna typ av elektromagnetiska fältemitter fungerar annorlunda än permanentmagneter.

Till skillnad från permanenta magneter behöver elektromagneter en elektrisk ström genom dem för att avge ett magnetfält för deras användning. Detta gör det möjligt för forskare, ingenjörer och andra yrkesverksamma att använda dem för ett brett utbud av applikationer och kraftigt kontrollera dem.

Magnetfältet för en inducerad ström i elektromagnetisk magnetform kan beräknas som

i vilkenBär magnetfältet i Teslas,μ​_​0​ (uttalad "mu naught") är permeabiliteten för fritt utrymme (ett konstant värde 1,257 x 10^-6), ​Lär längden på metallföremål parallellt med fältet ochnär antalet öglor runt elektromagneten. Med hjälp av Ampere's Law,

du kan beräkna current jag(i förstärkare).

Dessa ekvationer beror nära på magnetens geometri med trådarna lindade så nära metallspiken som möjligt. Tänk på att strömriktningen är motsatt flödet av elektroner. Använd detta för att ta reda på hur magnetfältet ska förändras och se om kompassnålen ändras som du skulle beräkna eller bestämma med hjälp av högerregeln.

•••Syed Hussain Ather

Amperes lagändringar beror på emf-generatorns geometri. När det gäller en toroidformad, munkformad elektromagnet, fältet

förnantal slingor ochrradie från centrum till centrum av metallföremålen. En cirkels omkrets (2 π r)i nämnaren reflekterar den nya längden på magnetfältet som tar en cirkulär form genom hela toroiden. Formerna på EMF-generatorer låter forskare och ingenjörer utnyttja sin kraft.

Toroida former används i transformatorer använder spolarna lindade runt dem i olika lager så att när en ström induceras genom den, den resulterande emf och ström som den skapar som svar överför kraft mellan olika spolar. Formen låter den använda kortare spolar som minskar förlusterna till motstånd eller förluster på grund av hur strömmarna lindas. Detta gör toroidformade transformatorer effektiva i hur de använder energi.

Elektromagneter kan variera i en stor mängd applikationer från industrimaskiner, datorkomponenter, supraledning och vetenskaplig forskning. Superledande material uppnår praktiskt taget inget elektriskt motstånd vid mycket låga temperaturer (nära 0 Kelvin) som kan användas i vetenskaplig och medicinsk utrustning.

Detta inkluderar magnetisk resonanstomografi (MRI) och partikelacceleratorer. Solenoider används för att generera magnetfält i matrisskrivare, bränsleinsprutare och industriella maskiner. Särskilt toroidtransformatorer har också användningar inom medicinsk industri för sin effektivitet när det gäller att skapa biomedicinska enheter.

Elektromagneter används också i musikalisk utrustning som högtalare och hörlurar, transformatorer som ökar eller minskar strömmen spänning längs kraftledningar, induktionsuppvärmning för matlagning och tillverkning och till och med magnetiska separatorer för att sortera magnetiska material från skrot metall. Induktionen för uppvärmning och tillagning är särskilt beroende av hur en elektromotorisk kraft producerar en ström som svar på en förändring i magnetfältet.

Slutligen använder maglevtåg en stark elektromagnetisk kraft för att levitera ett tåg över ett spår och supraledande elektromagneter för att accelerera till höga hastigheter med snabba och effektiva hastigheter. Förutom dessa användningsområden, kan du också hitta elektromagneter som används i applikationer som motorer, transformatorer, hörlurar, högtalare, bandspelare och partikelacceleratorer.